JP2011128675A - Processing system, method and program for modeling system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To automatically distinguish a simplifiable part of system representation by a quantitative reference, in a modeling tool for a design. <P>SOLUTION: An expression is extracted from a block of SysML, or a block diagram of Simulink (R) is converted into a differential equation, and a coefficient thereof is expanded in a series. First, the differential equation is normally solved by a CAS, and preferably, a solution thereof is also expanded in a series. Next, the expression including the differential equation is solved by the CAS as an interval coefficient by interval analysis technique. Coefficient vectors of the stored solution obtained by performing the normal solution and the solution of a result of the interval analysis are compared. As a result, when an inter-vector distance is a fixed value or below, a target coefficient is set to zero, and the expression including the differential equation is solved by the CAS. The coefficient vectors of the stored solution obtained by performing the normal solution and the solution of the result are newly compared. As a result, when the inter-vector distance is the fixed value or below, a term of the target coefficient is dropped from the differential equation to simplify the differential equation. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、自動車、ロボット、航空機などの機構装置を設計するためのモデリング・システムに関し、より詳しくは、モデリング・システムで使用される数式を処理するためのシステム、方法及びプログラムに関するものである。   The present invention relates to a modeling system for designing mechanical devices such as automobiles, robots, and aircraft, and more particularly to a system, method, and program for processing mathematical expressions used in the modeling system.

従来より、MATLAB(R)/Simulink(R)などのシミュレーション・モデリング・ツールで、モデルを作成してテストし、実機に搭載することが行われている。MATLAB(R)/Simulink(R)を利用したモデリングの技術は、特開2005−222420号公報など多数の公開公報に記載されている。   Conventionally, models have been created and tested using simulation modeling tools such as MATLAB (R) / Simulink (R), and installed in actual machines. Modeling techniques using MATLAB (R) / Simulink (R) are described in many published publications such as JP-A-2005-222420.

一方、最近になって、特開2009−176010号公報に開示されているように、UMLの拡張であるSysMLで、機構装置をモデリングすることも行われている。   On the other hand, recently, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-176010, modeling of a mechanism device is also performed using SysML, which is an extension of UML.

MATLAB(R)/Simulink(R)では、多くの場合、モデルの挙動は微分方程式に帰着されるし、UML/SysMLでも、モデルの要素の挙動や制約は、数式を使って記述される。   In MATLAB (R) / Simulink (R), the behavior of a model is often reduced to a differential equation, and in UML / SysML, the behavior and constraints of model elements are described using mathematical expressions.

その際、典型的には、特開平7−281714号公報で述べられているように、記述された数式モデルをどう扱うかということは、課題であり続けている。   At that time, typically, as described in JP-A-7-281714, how to deal with the described mathematical model continues to be a problem.

ところで、ある製品を設計する際の制御ストラテジーにおいて、一般的な評価関数に基づき設計されたシステム記述を、具体的なモデリングで用いる場合、ある複雑な数式モデルに対して、より簡略な表現が可能かどうか決定したいという要望がある。なぜなら、複雑な数式モデルをそのまま設定すると、複雑な構成になって、部品コスト、製造コストが嵩むなどの問題点が生じることがある。そこで、等価な機能を、より簡素化された数式モデルで記述できるなら、コスト節約として、とても有意義である。   By the way, when a system description designed based on a general evaluation function is used in concrete modeling in a control strategy for designing a product, a simpler expression can be made for a complex mathematical model. There is a desire to decide whether or not. This is because if a complicated mathematical model is set as it is, a complicated configuration may occur, and problems such as increased component costs and manufacturing costs may occur. Therefore, if equivalent functions can be described with a simplified mathematical model, it is very meaningful as a cost saving.

しかし、SysML等による制御ストラテジー設計で、数式やSimulink(R)によるシステム記述の詳細度適切性について基準が不明確であることが課題である。   However, in the control strategy design by SysML or the like, the problem is that the standard is unclear about the appropriateness of the detail of the system description by the mathematical formula or Simulink®.

例えばSysMLにおける制約として内部ブロック図等の数式や、Simulinkモデルとしてシステム要素を、どの程度の詳細度で記述するかは、モデリングが用いられる局面あるいはモデル作成者の主観に依存してきた。   For example, the degree of detail in which a mathematical expression such as an internal block diagram is described as a constraint in SysML and a system element is described as a Simulink model is dependent on the aspect in which modeling is used or the subjectivity of the model creator.

また、注目している制御部分をモデリングする場合、一般的な評価基準から設計されたシステム記述のみでは、着目している制御対象のモデリングの意味に幅を持たせてしまい、過度に複雑な制御システムを設計してしまう可能性があり、それを回避するためには、モデリング詳細度の適切性を定量基準に基づいて簡略化可能部分があるかどうか判別することが必要である。   In addition, when modeling the control part of interest, the system description designed based on general evaluation criteria only gives a broad meaning to the modeling of the control object of interest, resulting in overly complex control. In order to avoid the possibility of designing the system and to avoid it, it is necessary to determine whether there is a simplification possible part based on the quantitative criteria.

しかし、そのような技術は、今まで知られていない。   However, such techniques are not known until now.

特開2005−222420号公報JP-A-2005-222420 特開2009−176010号公報JP 2009-176010 A 特開平7−281714号公報JP-A-7-281714

この発明の目的は、設計のためのモデリング・ツールにおいて、定量基準によりシステム表現の簡略化可能部分を自動判別することを可能ならしめる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique that makes it possible to automatically determine a simplifiable part of a system expression based on a quantitative criterion in a modeling tool for design.

この発明の他の目的は、不必要に複雑となっている部分をシステムの簡略化可能部分として定量的に判別することで、物理的意味を保持しつつ、効率的な制御システム設計を可能とすることにある。   Another object of the present invention is to quantitatively determine an unnecessarily complicated part as a part that can be simplified, thereby enabling efficient control system design while maintaining the physical meaning. There is to do.

この発明の更に他の目的は、コントローラの設計を最適化することで実際のオペレーション領域を絞り込むことを可能とすることにある。   Still another object of the present invention is to make it possible to narrow down the actual operation area by optimizing the controller design.

この発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、この発明によれば先ず、コンピュータの処理により、例えばSysMLのブロックから数式が抽出され、または、Simulink(R)のブロック線図が微分方程式に変換され、いずれにしても、コンピュータのメモリまたはハードディスク上に、数式が用意される。   The present invention has been made to achieve the above object. According to the present invention, first, mathematical expressions are extracted from, for example, a SysML block by a computer process, or a block diagram of Simulink (R) is obtained. In any case, mathematical equations are prepared on a computer memory or hard disk.

この発明に従えば、抽出された、微分方程式を含んでいてもよい数式の係数は、級数展開される。このとき、好適な級数展開は、非線形の信号処理などでよく用いられる、ボルテラ級数展開である。   According to the present invention, the extracted coefficients of the mathematical formula that may include a differential equation are series-expanded. At this time, a suitable series expansion is a Volterra series expansion that is often used in nonlinear signal processing and the like.

次に、この発明のシステムは、微分方程式を含む数式を、既知の数式処理システム(CAS)によって解く。この解は、一旦、メモリまたはハードディスク上に保存される。   Next, the system of the present invention solves a mathematical expression including a differential equation by a known mathematical expression processing system (CAS). This solution is temporarily stored on a memory or hard disk.

次に、この発明のシステムは、級数展開された微分方程式を含む数式の一係数に擾乱を与えて、区間解析の技法により、区間係数として、CASによって微分方程式を含む数式を解く。   Next, the system of the present invention gives a disturbance to one coefficient of a mathematical expression including a differential equation that is series-expanded, and solves the mathematical expression including the differential equation by CAS as an interval coefficient by the technique of interval analysis.

次に、この発明のシステムは、区間解析の結果の解と、保存されている、普通に解いた解の係数ベクトルを比較して、ベクトル間距離が既定値以下かどうかを判断する。そうでなければ、微分方程式を含む数式の級数展開された次の係数を選び、そうであれば、対象としている係数を0にして、CASによって微分方程式を含む数式を解く。   Next, the system of the present invention compares the solution of the result of the interval analysis and the stored coefficient vector of the normally solved solution to determine whether the inter-vector distance is equal to or less than a predetermined value. Otherwise, the next coefficient expanded from the series including the differential equation is selected, and if so, the target coefficient is set to 0 and the mathematical expression including the differential equation is solved by CAS.

そこで再度、結果の解と、保存されている、普通に解いた解の係数ベクトルを比較して、ベクトル間距離が既定値以下かどうかを判断する。   Again, the result solution is compared with the stored coefficient vector of the normally solved solution to determine whether the distance between the vectors is equal to or less than a predetermined value.

もしそのベクトル間距離が既定値以下であると判断されると、対象としている係数は省略可能であると判断される。   If it is determined that the distance between vectors is equal to or less than a predetermined value, it is determined that the target coefficient can be omitted.

この発明の別の側面によれば、上記で得られた数式がブロック線図に逆変換され、そのブロック線図について、コンピュータ・メモリ上でグラフ表現に変換され、その上で、位相幾何的な種数が判定される。そして、種数がある数より小さいことにより、ブロック線図の記述の妥当性を判定する。   According to another aspect of the present invention, the mathematical formula obtained above is converted back into a block diagram, and the block diagram is converted into a graph representation on a computer memory, and then topological The genus is determined. Then, the validity of the description of the block diagram is determined by determining that the genus is smaller than a certain number.

この発明によれば、設計のためのモデリング・ツールにおいて、モデルの数式表現において、安定性を考慮して合理的に項を省略することによって、定量基準によりシステム表現の簡略化可能部分を自動判別することが可能となる。   According to the present invention, in the modeling tool for design, in the mathematical expression of the model, the terms that can be simplified in the system expression are automatically discriminated by the quantitative criterion by rationally omitting the term in consideration of stability. It becomes possible to do.

また、発明によれば、数式表現の簡略化を通じて、不必要に複雑となっている部分をシステムの簡略化可能部分として定量的に判別することによって、物理的意味を保持しつつ、効率的な制御システム設計を行うことができる。   Further, according to the invention, by simplifying mathematical expression expression, it is possible to efficiently determine an unnecessarily complicated part as a simplifiable part of the system, while maintaining the physical meaning and efficiently. Control system design can be performed.

この発明を実施するためのハードウェア構成の一例のブロック図である。It is a block diagram of an example of the hardware constitutions for carrying out this invention. この発明を実施するための機能ブロック図を示す図である。It is a figure which shows the functional block diagram for implementing this invention. SysMLのブロックからの数式の抽出と、簡易化した数式の抽出を示す図である。It is a figure which shows extraction of the numerical formula from the block of SysML, and extraction of the simplified numerical formula. ブロック線図を数式に変換し、簡易化した数式をブロック線図に変換する図である。It is a figure which converts a block diagram into a formula and converts a simplified formula into a block diagram. 数式を簡易化する処理のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the process which simplifies numerical formula. 数式を簡易化する処理のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the process which simplifies numerical formula. ブロック線図の種数を判別する処理のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the process which discriminate | determines the kind of block diagram. H2最適コントローラを設計する例を示す図である。It is a figure which shows the example which designs an H2 optimal controller.

以下、図面に基づき、この発明の実施例を説明する。特に断わらない限り、同一の参照番号は、図面を通して、同一の対象を指すものとする。尚、以下で説明するのは、本発明の一実施形態であり、この発明を、この実施例で説明する内容に限定する意図はないことを理解されたい。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Unless otherwise noted, the same reference numerals refer to the same objects throughout the drawings. It should be understood that what is described below is one embodiment of the present invention, and that the present invention is not intended to be limited to the contents described in this example.

図1を参照すると、本発明を実施するための一例のシステム構成及び処理を実現するためのコンピュータ・ハードウェアのブロック図が示されている。図1において、システム・パス102には、CPU104と、主記憶(RAM)106と、ハードディスク・ドライブ(HDD)108と、キーボード110と、マウス112と、ディスプレイ114が接続されている。CPU104は、好適には、32ビットまたは64ビットのアーキテクチャに基づくものであり、例えば、インテル社のPentium(商標) 4、Core(商標)2 Duo、Xeon(商標)、AMD社のAthlon(商標)などを使用することができる。主記憶106は、好適には、2GB以上の容量をもつものである。   Referring to FIG. 1, there is shown a block diagram of computer hardware for realizing an example system configuration and processing for carrying out the present invention. In FIG. 1, a CPU 104, a main memory (RAM) 106, a hard disk drive (HDD) 108, a keyboard 110, a mouse 112, and a display 114 are connected to the system path 102. The CPU 104 is preferably based on a 32-bit or 64-bit architecture, such as Intel Pentium ™ 4, Core ™ 2 Duo, Xeon ™, AMD Athlon ™. Etc. can be used. The main memory 106 preferably has a capacity of 2 GB or more.

ハードディスク・ドライブ108には、個々に図示しないが、オペレーティング・システムが、予め格納されている。オペレーティング・システムは、Linux(商標)、マイクロソフト社のWindows(商標)7、Windows XP(商標)、Windows(商標)2000、アップルコンピュータのMac OS(商標)などの、CPU104に適合する任意のものでよい。   Although not shown individually, the hard disk drive 108 stores an operating system in advance. The operating system can be any compatible with the CPU 104, such as Linux (trademark), Microsoft (trademark) Windows (trademark) 7, Windows XP (trademark), Windows (trademark) 2000, or Mac OS (trademark) of Apple Computer. Good.

ハードディスク・ドライブ108にはまた、インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションから入手可能な、UML/SysMLモデリング・システムである、IBM(R) Rational(R) Rhapsody(R)と、MathWorks社から入手可能なシミュレーション・モデリング・システムである、MATLAB(R)/Simulink(R)が導入されている。図2の機能ブロック図では、UML/SysMLモデリング・システムは、ブロック202として図示され、MATLAB(R)/Simulink(R)は、ブロック202として図示されている。   Hard disk drive 108 also includes IBM® Rational® Rhapsody®, a UML / SysML modeling system available from International Business Machines Corporation, and simulations available from MathWorks. -MATLAB (R) / Simulink (R), a modeling system, has been introduced. In the functional block diagram of FIG. 2, the UML / SysML modeling system is illustrated as block 202 and MATLAB® / Simulink® is illustrated as block 202.

ハードディスク・ドライブ108にはさらに、数式処理ツール(CAS)として、Maximaが導入されている。尚、本実施例で使用可能なCASとして、Maximaに限定されず、MapleSoftから入手可能なMapleや、Wolfram Researchから入手可能なMathematicaなどの利用可能な任意のCASを使用してもよい。あるいは、MATLABのToolBoxにあるSymbolic Math Toolboxを使用してもよい。   Further, Maxima is introduced into the hard disk drive 108 as a mathematical expression processing tool (CAS). The CAS that can be used in this embodiment is not limited to Maxima, and any CAS that can be used such as Maple available from MapleSoft or Mathematica available from Wolfram Research may be used. Alternatively, you can use the Symbolic Math Toolbox in the MATLAB ToolBox.

ハードディスク・ドライブ108にはさらに、図2に図示し後で詳述する、UML/SysMLモデリング・システム202のためのソース・モデル・ファイル206、シミュレーション・モデリング・システムのためのソースコード208が格納される。   The hard disk drive 108 further stores a source model file 206 for the UML / SysML modeling system 202 and a source code 208 for the simulation modeling system, shown in FIG. 2 and described in detail later. The

ハードディスク・ドライブ108にはさらに、数式抽出モジュール210、数式変換モジュール212、区間解析モジュール214、安定性判別モジュール220、数式注入モジュール224、ブロック線図への変換モジュール226、種数判定モジュール228が保存され、必要に応じてオペレーティング・システムの作用で主記憶106に読み出され、実行される。     The hard disk drive 108 further stores a mathematical expression extraction module 210, a mathematical expression conversion module 212, a section analysis module 214, a stability determination module 220, a mathematical expression injection module 224, a block diagram conversion module 226, and a genus determination module 228. If necessary, it is read out to the main memory 106 by the action of the operating system and executed.

キーボード110及びマウス112は、オペレーティング・システムまたは、ハードディスク・ドライブ108から主記憶106にロードされ、ディスプレイ114に表示されたプログラム(図示しない)を起動したり、文字を打ち込んだりするために使用される。   The keyboard 110 and the mouse 112 are loaded from the operating system or the hard disk drive 108 into the main memory 106, and are used to start a program (not shown) displayed on the display 114 and to input characters. .

ディスプレイ114は、好適には、液晶ディスプレイであり、例えば、XGA(1024×768の解像度)、またはUXGA(1600×1200の解像度)などの任意の解像度のものを使用することができる。ディスプレイ114は、図示しないが、処理すべきグラフ・データや、グラフの類似度を表示するために使用される。   The display 114 is preferably a liquid crystal display, and can be of any resolution such as XGA (1024 × 768 resolution) or UXGA (1600 × 1200 resolution). Although not shown, the display 114 is used to display graph data to be processed and graph similarity.

次に、図2を参照して、本発明に係る機能ブロック図を説明する。UML/SysMLモデリング・システム202は、上述のように、この実施例ではIBM(R) Rational(R) Rhapsody(R)であるが、これには限定されず、任意のUML/SysMLモデリング・システムを使用することができる。   Next, a functional block diagram according to the present invention will be described with reference to FIG. As described above, the UML / SysML modeling system 202 is IBM® Rational® Rhapsody® in this embodiment, but is not limited thereto, and any UML / SysML modeling system can be used. Can be used.

UML/SysMLモデリング・システム202上でユーザは、UML/SysMLの規則に従い、設計のモデルを作成し、モデル・ファイル206として、ハードディスク・ドライブ108に保存することができる。また随時読み出して編集することができる。   On the UML / SysML modeling system 202, the user can create a model of the design according to the rules of UML / SysML and save it as a model file 206 on the hard disk drive 108. It can also be read and edited at any time.

図3のブロック302、304及び306は、SysMLのクラス図の例を示す。   Blocks 302, 304, and 306 in FIG. 3 show examples of SysML class diagrams.

シミュレーション・モデリング・システム204は、この実施例では、上述のようにMATLAB(R)/Simulink(R)であるが、これには限定されず、オープンソースのScilab/Scicosなど任意のシミュレーション・モデリング・ツールを使用することが可能である。   In this embodiment, the simulation modeling system 204 is MATLAB® / Simulink® as described above, but is not limited thereto, and any simulation modeling model such as open source Scilab / Scicos is used. It is possible to use a tool.

シミュレーション・モデリング・システム204上でユーザは、GUI操作で機能ブロックを配置し連結することにより、ソースコード208を生成し、ハードディスク・ドライブ108に保存することができる。また随時読み出して編集することができる。ソースコード208は、機能ブロック間の依存関係を記述するための、MDLファイルを含んでいてもよい。   On the simulation modeling system 204, the user can generate and save the source code 208 in the hard disk drive 108 by arranging and connecting the functional blocks by GUI operation. It can also be read and edited at any time. The source code 208 may include an MDL file for describing dependencies between functional blocks.

数式抽出モジュール210は、UML/SysMLモデリング・システム202のうちの指定されたブロックから、振る舞いを既定する式または制約式を抽出して、後の処理のため、好適には主記憶106上に配置する。図3の例では、ブロック306に数式(この場合は微分方程式)が含まれ、数式抽出モジュール210によって数式308として抽出される。   The formula extraction module 210 extracts a formula or constraint formula that defines behavior from a specified block of the UML / SysML modeling system 202, and places it on the main memory 106, preferably for later processing. To do. In the example of FIG. 3, a mathematical expression (in this case, a differential equation) is included in the block 306 and is extracted as a mathematical expression 308 by the mathematical expression extraction module 210.

数式変換モジュール212は、シミュレーション・モデリング・システム204で記述されているブロック線図を、対応する微分方程式に変換して、好適には主記憶106上に配置する機能を有する。数式変換モジュール212は、基本的にはC、C++、Java(R)などのプログラムで作成することもできるし、MapleとMapleSimの組合せにより実現することもできる。   The mathematical expression conversion module 212 has a function of converting a block diagram described in the simulation modeling system 204 into a corresponding differential equation and preferably placing it on the main memory 106. The mathematical expression conversion module 212 can basically be created by a program such as C, C ++, Java (R), or can be realized by a combination of Maple and MapleSim.

図4(a)に、シミュレーション・モデリング・システム204によって作成されたブロック線図の例を示す。数式変換モジュール212は、図4(a)に示すブロック線図を、図4(b)に示す微分方程式に変換する。   FIG. 4A shows an example of a block diagram created by the simulation modeling system 204. The mathematical expression conversion module 212 converts the block diagram shown in FIG. 4A into a differential equation shown in FIG.

区間解析モジュール214は、数式抽出モジュール210または数式変換モジュール212から受け取った微分方程式を含む数式の係数を、CAS216の機能を使用してボルテラ級数展開する。ボルテラ級数展開は、特開平11−261436号公報、特開2006−86681号公報、特開2006−260244号公報、及び特開2006−28746号公報などに記載されており従来より周知なので、ここでは詳しくは説明しない。   The interval analysis module 214 expands the coefficient of the mathematical expression including the differential equation received from the mathematical expression extraction module 210 or the mathematical expression conversion module 212 using a function of CAS 216 in a Volterra series. The Volterra series expansion is described in JP-A-11-261436, JP-A-2006-86681, JP-A-2006-260244, JP-A-2006-28746, and the like. I will not explain in detail.

尚、本発明で使用する級数展開は、ボルテラ級数展開以外に、目的に応じてテイラー展開などの任意の級数展開を使用することができる。   The series expansion used in the present invention can use any series expansion such as Taylor expansion according to the purpose, in addition to the Volterra series expansion.

区間解析モジュール214はまた、区間解析のために、級数展開の係数に基づき生成した区間を生成し、CAS216に渡す機能をもつ。   The interval analysis module 214 also has a function of generating an interval generated based on a series expansion coefficient for interval analysis and passing it to the CAS 216.

CAS216は、数式抽出モジュール210または数式変換モジュール212から与えられた数式自体をボルテラ級数展開し、あるいは微分方程式の解をボルテラ級数展開して、数式の解の展開された級数218として、ハードディスク・ドライブ108に保存する。展開された級数218には、数式抽出モジュール210または数式変換モジュール212から受け取った微分方程式を含む数式の係数のボルテラ級数展開のデータも含まれる。   The CAS 216 expands the mathematical expression itself given from the mathematical expression extraction module 210 or the mathematical expression conversion module 212, or expands the differential equation solution to a Volterra series, and forms a series 218 in which the mathematical solution is expanded as a hard disk drive. Save to 108. The expanded series 218 includes Volterra series expansion data of coefficients of mathematical expressions including differential equations received from the mathematical expression extraction module 210 or the mathematical expression conversion module 212.

安定性判別モジュール220は、区間解析モジュール214、CAS216と協働して、簡略化された数式222を求めるように動作する。安定性判別モジュール220の動作は、図5及び図6のフローチャートを参照して、後で詳細に説明する。   The stability determination module 220 operates in cooperation with the interval analysis module 214 and the CAS 216 to obtain a simplified mathematical expression 222. The operation of the stability determination module 220 will be described in detail later with reference to the flowcharts of FIGS.

安定性判別モジュール220は、処理の結果、簡略化された数式222を生成して、好適には、主記憶106の所定の領域に配置する。簡略化された数式222は、図3のSysMLのブロックでは、参照番号310で示され、Simulink(R)用では、図4(c)に示されている。   As a result of the processing, the stability determination module 220 generates a simplified mathematical expression 222, and preferably arranges it in a predetermined area of the main memory 106. The simplified mathematical formula 222 is indicated by reference numeral 310 in the SysML block of FIG. 3 and is shown in FIG. 4C for Simulink®.

数式注入モジュール224は、簡略化された数式222を、SysMLのブロックに注入して、上書きする。図3では、簡略化された数式310が、ブロック306に注入される。   The formula injection module 224 injects and overwrites the simplified formula 222 into the SysML block. In FIG. 3, a simplified formula 310 is injected into block 306.

ブロック線図への変換モジュール226は、図4(c)に示されている、簡略化された数式310を、図4(d)に示すように、ブロック線図へ変換する機能をもつ。このような微分方程式のブロック線図への変換は、簡略化された数式310としての微分方程式をMATLAB(R)での表現にして、それをS-functionというSimulinkで使えるブロックの一つにすることにより、達成される。ただ、多少、手操作での処理が必要になる場合がある。   The block diagram conversion module 226 has a function of converting the simplified mathematical expression 310 shown in FIG. 4 (c) into a block diagram as shown in FIG. 4 (d). The conversion of such differential equations to block diagrams is made by expressing the differential equation as simplified expression 310 in MATLAB (R) and making it one of the blocks that can be used in Simulink called S-function. Is achieved. However, some manual processing may be required.

種数判定ブロック228は、図4(d)に示すような、微分方程式から変換されたブロック線図に対して、種数を求めることにより、ブロック線図の妥当性を判断する機能をもつ。種数とは、位相幾何学的な性質で、曲面に開いている穴の数のことである。種数判定ブロック228のより詳細な処理は、図7のフローチャートを参照して、後で詳細に説明する。   The genus determination block 228 has a function of determining the validity of the block diagram by obtaining the genus of the block diagram converted from the differential equation as shown in FIG. The genus is a topological property and is the number of holes opened in a curved surface. More detailed processing of the genus determination block 228 will be described later in detail with reference to the flowchart of FIG.

次に、図5及び図6のフローチャートを参照して、図2の安定性判別ブロックの処理を説明する。先ず、図5のステップでは、図4に示すように、数式変換モジュール212がブロック線図を変換するか、図3に示すように、数式抽出モジュール210がブロックから数式を抽出するかして、微分方程式を含む数式が主記憶106上に用意される。   Next, the processing of the stability determination block of FIG. 2 will be described with reference to the flowcharts of FIGS. First, in the step of FIG. 5, whether the mathematical expression conversion module 212 converts the block diagram as shown in FIG. 4, or the mathematical expression extraction module 210 extracts the mathematical expression from the block as shown in FIG. A mathematical formula including a differential equation is prepared on the main memory 106.

尚、以下では、微分方程式を例にとって説明するが、これには普通の数式も含まれるものとする。すなわち、微分方程式を下記の式のように表記したとき、

Figure 2011128675

のようになる。 In the following, a differential equation will be described as an example, but this also includes ordinary mathematical expressions. That is, when the differential equation is expressed as
Figure 2011128675

become that way.

すなわち、ここで、P(x) = Q(x) = 0と仮定すると、R(x)だけ残って、普通の、微分方程式を含まない数式に帰着される。また、この例では、1階の微分方程式であるが、より高階の微分方程式である場合もあることを理解されたい。但し、ニュートンの方程式が典型的にそうであるように、ほとんどの設計の目的には、2階までの微分方程式で十分である。また、微分方程式は、CASが解ける範囲で、連立微分方程式であってもよい。   That is, here, assuming that P (x) = Q (x) = 0, only R (x) remains, resulting in an ordinary mathematical expression that does not include a differential equation. Also, in this example, it is a first order differential equation, but it should be understood that it may be a higher order differential equation. However, differential equations up to second order are sufficient for most design purposes, as are Newton's equations. The differential equation may be a simultaneous differential equation as long as CAS can be solved.

本発明の一実施例によれば、このような微分方程式をそのままCAS216で解くのではなく、微分方程式の関数P(x), Q(x), R(x)が、CAS216の機能によって級数展開される。   According to one embodiment of the present invention, such a differential equation is not solved by CAS 216 as it is, but the functions P (x), Q (x), R (x) of the differential equation are series expanded by the function of CAS 216. Is done.

本発明に好適な級数展開は、通常、非線形システムの解析に用いられるボルテラ級数展開であり、下記の式で一般的に表記される。

Figure 2011128675

この式で、実際は∞のところは、主記憶106のサイズの限界に基づく利用可能なメモリサイズに合わせて、適当な有限の項数で打ち切る。この式で、hp(m1,...,mp)は、ボルテラ核(Volterra kernel)と呼ばれる。この実施例では、x(n-mi) ( i = 1,...,p)としては、場合に応じて、指数関数、三角関数、代数関数などが使用される。 A series expansion suitable for the present invention is a Volterra series expansion generally used for analysis of nonlinear systems, and is generally expressed by the following equation.
Figure 2011128675

In this equation, in fact, the part at ∞ is truncated with an appropriate finite number of terms in accordance with the available memory size based on the size limit of the main memory 106. In this equation, h p (m 1 , ..., m p ) is called a Volterra kernel. In this embodiment, an exponential function, a trigonometric function, an algebraic function, or the like is used as x (nm i ) (i = 1,..., P) depending on cases.

尚、ボルテラ級数展開について、既にいくつかの特許公開公報を従来技術として挙げたが、ボルテラ級数展開のより詳細な技法については、Analytical and Numerical Methods for Volterra Equations (Studies in Applied and Numerical Mathematics) by Peter Linz (Hardcover - Jan 1, 1987)などを参照されたい。   Regarding the Volterra series expansion, several patent publications have already been cited as conventional techniques, but for more detailed techniques of Volterra series expansion, Analytical and Numerical Methods for Volterra Equations (Studies in Applied and Numerical Mathematics) by Peter See Linz (Hardcover-Jan 1, 1987).

また、本実施例で想定する好適な級数展開がボルテラ級数展開であるが、本発明はボルテラ級数展開に限定されず、場合に応じて、テイラー級数展開、フーリエ級数展開などの知られているその他の級数展開も使用することができる。   In addition, the preferred series expansion assumed in this embodiment is Volterra series expansion, but the present invention is not limited to Volterra series expansion, and other known series such as Taylor series expansion and Fourier series expansion may be used depending on the case. A series expansion of can also be used.

P(x), Q(x), R(x)の各々をボルテラ級数展開したとき、その各々を
x(n-m1)...x(n-mp)の項で纏めると、P(x), Q(x), R(x)の各々につき、ボルテラ核を含む係数の列が得られる。
When each of P (x), Q (x), and R (x) is expanded by Volterra series,
Summarizing in terms of x (nm 1 ) ... x (nm p ), a sequence of coefficients including Volterra kernels is obtained for each of P (x), Q (x), and R (x).

すると、x(n-m1)...x(n-mp)の並びをベクトルとして、Xと表記すると、係数のベクトルp,q,rで以って、P(x) = pX, Q(x) = qX, R(x) = rXと表記することができる。そこで、ベクトルp,q,rの成分を並べて、αと表記することにする。 Then, if the sequence of x (nm 1 ) ... x (nm p ) is a vector and written as X, then P (x) = pX, Q (x) with the coefficient vectors p, q, r = qX, R (x) = rX. Therefore, the components of the vectors p, q, and r are arranged and expressed as α.

ステップ504では、CAS216が、微分方程式を解き、本発明の一実施例では、その解をやはりボルテラ級数展開で、βXと表記する。ここのXは、P(x), Q(x), R(x)で述べたXと同じものである。βの値は、後で参照するために、主記憶106の適当な領域に格納される。   In step 504, CAS 216 solves the differential equation, and in one embodiment of the present invention, the solution is also denoted by βX in a Volterra series expansion. X here is the same as X described in P (x), Q (x), and R (x). The value of β is stored in an appropriate area of the main memory 106 for later reference.

ステップ506では、区間解析モジュール214によってベクトルαの一要素α1が、ある適当な小さい擾乱の値δを以って、区間[α1,δ] = α1±δに置き換えられ、この区間係数ベクトルαIで、CAS216が再び、微分方程式を解く。そして、本発明のこの実施例では、その解をやはりボルテラ級数展開で、βIXと表記する。ベクトルβIの値は、後で参照するために、主記憶106の適当な領域に格納される。 In step 506, the interval analysis module 214 replaces one element α 1 of the vector α with an interval [α 1 , δ] = α 1 ± δ with some appropriate small disturbance value δ. With the vector α I , CAS 216 again solves the differential equation. In this embodiment of the present invention, the solution is also expressed as β I X by Volterra series expansion. The value of the vector β I is stored in an appropriate area of the main memory 106 for later reference.

尚、区間解析は、精度保証付き数値計算で使われる技法で、基本演算は、下記のとおりである。
[A,α] + [B,β] = [A + B,α+β]
[A,α] - [B,β] = [A - B,α+β]
[A,α] × [B,β] = [AB,A|β|+|B|α+αβ]
さらに、任意の関数f(x)について、f([A,α])なども定義することができる。
区間解析のより詳細な技法については、現代非線形科学シリーズ6「精度保証付き数値計算」大石進一著、コロナ社、2000年などを参照されたい。
Interval analysis is a technique used in numerical calculations with guaranteed accuracy, and the basic operations are as follows.
[A, α] + [B, β] = [A + B, α + β]
[A, α]-[B, β] = [A-B, α + β]
[A, α] × [B, β] = [AB, A | β | + | B | α + αβ]
Furthermore, f ([A, α]) or the like can be defined for an arbitrary function f (x).
For more detailed techniques of interval analysis, refer to Modern Non-linear Science Series 6 “Numerical Calculations with Guaranteed Accuracy” by Shinichi Oishi, Corona, 2000, etc.

ステップ508では、区間演算による解の係数ベクトルβIと、通常演算による解の係数ベクトルβが比較される。より具体的には、ある距離関数d()が与えられて、
d(β,βI)の値が計算される。
In step 508, the coefficient vector β I of the solution obtained by the interval calculation is compared with the coefficient vector β of the solution obtained by the normal calculation. More specifically, given a distance function d (),
The value of d (β, β I ) is calculated.

ここで使用される好適な距離は、多変数間の相関に基づく、マハラノビス距離であり、特にここでは、dM(β,βI)と表記することにする。マハラノビス距離は、共分散行列の逆数を掛け合わせたベクトル差の値の平方根として定義される。なお、本発明で使用される距離は、マハラノビス距離に限らず、場合により、ユークリッド距離、マンハッタン距離など、知られているその他の距離を使用することもできる。 The preferred distance used here is the Mahalanobis distance based on the correlation between multiple variables, and in particular here it will be denoted as d M (β, β I ). Mahalanobis distance is defined as the square root of the vector difference value multiplied by the reciprocal of the covariance matrix. The distance used in the present invention is not limited to the Mahalanobis distance, and other known distances such as the Euclidean distance and the Manhattan distance can be used depending on circumstances.

次のステップ510では、ベクトル間距離が既定値以下か、すなわち、
ある既定値δresultを以って、dM(β,βI) <= δresultかどうかが判断される。もしそうでなければ、ステップ512で、係数ベクトルαの次の係数を選んで、ステップ506に戻る。すなわち、ステップ506では、選ばれた係数に基づき区間が作成され、微分方程式が解かれる。
In the next step 510, whether the distance between vectors is equal to or less than a predetermined value, that is,
Whether or not d M (β, β I ) <= δ result is determined with a certain default value δ result . If not, in step 512, the next coefficient of the coefficient vector α is selected, and the process returns to step 506. That is, in step 506, an interval is created based on the selected coefficient, and the differential equation is solved.

ステップ512で、dM(β,βI) <= δresultであると判断されると、ステップ514に進み、そこで、対象としている係数α1について、対象としている係数を0にして、CAS216で、再度、微分方程式を解く処理が行われる。その結果の解の係数ベクトルをβ0とすると、ステップ516では、dM(β,β0)の値が計算される。 If it is determined in step 512 that d M (β, β I ) <= δ result , the process proceeds to step 514, where the coefficient of interest α 1 is set to 0 and the CAS 216 The process of solving the differential equation is performed again. Assuming that the coefficient vector of the resulting solution is β 0 , the value of d M (β, β 0 ) is calculated in step 516.

ステップ518では、dM(β,β0) <= δresultかどうかが判断される。尚ここで、比較する既定値は、ステップ510とは異なる値を使用してもよい。 In step 518, it is determined whether d M (β, β 0 ) <= δ result . Here, as the default value to be compared, a value different from that in step 510 may be used.

ステップ518でdM(β,β0) <= δresultと判断されると、ステップ520で、対象としている係数を省略することが決定される。その決定の情報は、主記憶106の所定の位置に格納され、後で、簡約化された微分方程式222を提供するために使用される。 If it is determined in step 518 that d M (β, β 0 ) <= δ result , it is determined in step 520 that the target coefficient is omitted. The decision information is stored in a predetermined location in main memory 106 and later used to provide a simplified differential equation 222.

一方、ステップ518でdM(β,β0) <= δresultでないと判断されると、ステップ522で、対象としている係数の省略順位を下げる、すなわち、実際的に、その係数は省略しない。 On the other hand, if it is determined in step 518 that d M (β, β 0 ) <= δ result is not satisfied, in step 522, the omission order of the target coefficient is lowered, that is, the coefficient is not actually omitted.

ステップ520またはステップ522の後は、ステップ522に行って、ベクトルαの成分である、全ての係数について完了したかどうかが判断される。そうでなければステップ506に戻り、そうならば、図6のフローチャートの処理に移行する。   After step 520 or step 522, the process goes to step 522 to determine whether all the coefficients that are components of the vector α are completed. If not, the process returns to step 506, and if so, the process proceeds to the process of the flowchart of FIG.

図6のステップ602では、システムは安定性を考慮する必要があるかどうかが判断される。安定性を考慮する必要がないシステムとは、フィードバックループが存在せず、入力がなくなれば次第に出力も減ることが事前に分かっているシステムである。   In step 602 of FIG. 6, it is determined whether the system needs to consider stability. A system that does not require consideration of stability is a system in which a feedback loop does not exist, and it is known in advance that the output gradually decreases when there is no input.

もし、システムは安定性を考慮する必要がないシステムなら。直ちに処理は終了する。   If the system doesn't need stability considerations. The process ends immediately.

ステップ602で、安定性を考慮する必要があるシステムであると判断されると、ステップ604に進み、そこで、簡易化された式を含むシステムの安定性が判別される。ここでの安定性判定の方法は従来知られている任意の方法を用いることができるが、一番典型的なのは、ナイキストの判定法である。なお、ナイキストの判定法は、自動制御理論の文献に記述されており、この発明の要旨ではないので、ここでは詳説しない。   If it is determined in step 602 that the system needs to take stability into account, the process proceeds to step 604 where the stability of the system including the simplified formula is determined. Although any method known in the art can be used as the stability determination method here, the most typical is the Nyquist determination method. The Nyquist determination method is described in the literature of automatic control theory and is not the gist of the present invention.

また、システムが離散系であるなら、状態行列の固有値に基づく判定法も使用可能である。   If the system is a discrete system, a determination method based on the eigenvalues of the state matrix can be used.

こうして、ステップ606で、簡易化された式を含むシステムが安定であると判定されると、処理は終了する。   Thus, if it is determined in step 606 that the system containing the simplified expression is stable, the process ends.

ステップ606で、簡易化された式を含むシステムが安定でないと判定されると、ステップ608で、αのうちのある係数を戻したときに計算されるβIとβの間の係数ベクトル間距離dM(β,βI)の大きさの降順に、αの成分である係数を、簡易化された式に戻して、ステップ610で再びシステムの安定性が判断される。この安定性の判定方法は、ステップ604での方法と同じでよい。 If it is determined in step 606 that the system containing the simplified equation is not stable, then in step 608 the coefficient vector distance between β I and β calculated when a certain coefficient of α is returned. In descending order of the magnitude of d M (β, β I ), the coefficient which is the component of α is returned to the simplified formula, and the stability of the system is judged again at step 610. This stability determination method may be the same as the method in step 604.

その結果、ステップ610でシステムが安定と判断されると、処理は終了する。ステップ610でシステムが不安定と判断されると、ステップ612で、係数ベクトル間距離の降順で次の係数が選ばれて、ステップ608に戻る。   As a result, when it is determined in step 610 that the system is stable, the process ends. If it is determined in step 610 that the system is unstable, the next coefficient is selected in descending order of the distance between coefficient vectors in step 612, and the process returns to step 608.

図6のフローチャートには明示されていないが、全ての係数を戻してもシステムが安定にならないと、エラー終了となる。   Although not explicitly shown in the flowchart of FIG. 6, if all the coefficients are returned and the system does not become stable, an error ends.

結局、図5及び図6の処理の結果、P(x), Q(x), R(x)のボルテラ級数展開項の一部が省略された、下記の簡略化された数式222が得られる。

Figure 2011128675
Eventually, as a result of the processing of FIG. 5 and FIG. 6, the following simplified mathematical expression 222 is obtained in which some of the Volterra series expansion terms of P (x), Q (x), and R (x) are omitted. .
Figure 2011128675

尚、図5の処理において、ステップ506の区間係数に基づく微分方程式の解を求めることを経ず、いきなり、ステップ514で対象とする係数をゼロにして解の比較をしてもよさそうに思われるが、区間係数に基づく微分方程式の解を求めることを経ないでいきなり、ステップ514で対象とする係数をゼロにして解を求めると、不安定な局所解に陥る可能性がある。そこで、一旦、区間係数に基づく微分方程式の解を求めることが必要になる。   In the process of FIG. 5, it is likely that the solution of the differential equation based on the interval coefficient in step 506 is not obtained, and the solution is suddenly compared in step 514 with the target coefficient set to zero. However, without finding a solution of the differential equation based on the interval coefficient, if the solution is obtained with the target coefficient set to zero in step 514, there is a possibility of falling into an unstable local solution. Therefore, it is necessary to obtain a differential equation solution based on the interval coefficient.

こうして、下記の簡略化された数式222が得られると、それは、図3に示すように、数式注入モジュール224によってもとのブロックに注入され、あるいは、図4(d)に示すように、ブロック線図への変換モジュール226によって、ブロック線図に変換される。   Thus, when the following simplified formula 222 is obtained, it is injected into the original block by the formula injection module 224, as shown in FIG. 3, or, as shown in FIG. It is converted into a block diagram by a conversion module 226 into a diagram.

上記で説明した実施例では、ステップ502で、微分方程式の係数がボルテラ級数に展開され、ステップ504で微分方程式の解が、ボルテラ級数展開され、ステップ506での区間解析の結果の微分方程式の解もボルテラ級数展開され、ステップ514でも、微分方程式の解が、ボルテラ級数展開されているが、これには限定されず、以下のような変形例も、本発明の範囲であることを理解されたい。   In the embodiment described above, the coefficient of the differential equation is expanded into a Volterra series at Step 502, the solution of the differential equation is expanded at Step 504, and the solution of the differential equation as a result of the interval analysis at Step 506 is solved. Volterra series expansion is performed, and the solution of the differential equation is also expanded by Volterra series in Step 514. However, the present invention is not limited to this, and it should be understood that the following modifications are also within the scope of the present invention. .

先ず、微分方程式の係数に、ボルテラ級数展開を適用しないで、そのまま区間解析を行い、微分方程式の解には、ボルテラ級数展開を適用する処理も可能である。これは、システムのダイナミックスがある程度分かっているが、微分方程式の解の挙動がよく分からない場合に採用される。この場合、ステップ502で、微分方程式の係数は級数展開されず、ステップ504で微分方程式の解が、ボルテラ級数展開され、ステップ506での区間解析が級数展開しない係数に適用されるが、結果の微分方程式の解はボルテラ級数展開され、ステップ514でも、微分方程式の解が、ボルテラ級数展開される。   First, it is possible to perform an interval analysis as it is without applying Volterra series expansion to the coefficients of the differential equation, and to apply Volterra series expansion to the solution of the differential equations. This is used when the dynamics of the system are known to some extent but the behavior of the differential equation solution is not well understood. In this case, the coefficient of the differential equation is not series-expanded in step 502, the solution of the differential equation is expanded in step 504, and the interval analysis in step 506 is applied to the coefficient that is not series-expanded. The solution of the differential equation is expanded by the Volterra series. In Step 514, the solution of the differential equation is expanded by the Volterra series.

次に、微分方程式の係数に、ボルテラ級数展開を適用しないで、そのまま区間解析を行い、解にも、ボルテラ級数展開を適用しない処理も可能である。これは、システムのダイナミックスがある程度分かっており、微分方程式の解の挙動もかなり予測がつく場合に採用される。この場合、ステップ502で、微分方程式の係数は級数展開されず、ステップ504で微分方程式の解も、ボルテラ級数展開されない。ステップ506での区間解析も級数展開しない係数に適用され、結果の微分方程式の解もボルテラ級数展開されない。ステップ514でも、微分方程式の解が、ボルテラ級数展開されない。この場合は、解の係数ベクトルは、ボルテラ級数展開されない形で作成され、比較される。   Next, interval analysis is performed as it is without applying Volterra series expansion to the coefficients of the differential equation, and processing without applying Volterra series expansion to the solution is also possible. This is used when the dynamics of the system is known to some extent and the behavior of the differential equation solution is quite predictable. In this case, the coefficient of the differential equation is not series-expanded in step 502, and the solution of the differential equation is not expanded in Volterra series in step 504. The interval analysis at step 506 is also applied to the coefficients that are not subjected to series expansion, and the solution of the resulting differential equation is not expanded to Volterra series. Even in step 514, the solution of the differential equation is not expanded to the Volterra series. In this case, the coefficient vector of the solution is created and compared in a form that is not expanded by the Volterra series.

さらに、 微分方程式の係数に、ボルテラ級数展開を適用して、区間解析を行うが、微分方程式の解は、ボルテラ級数展開を適用しないという処理も可能である。これは、あまりないケースであるが、システムのダイナミックスがかなり不明であり、一方、微分方程式の解の挙動はかなり予測がつく場合に採用される。この場合、ステップ502で、微分方程式の係数がボルテラ級数に展開されるが、ステップ504で微分方程式の解はボルテラ級数展開されない。係数の区間解析は、ボルテラ級数展開された係数に適用され、ステップ506での区間解析の結果の微分方程式の解もボルテラ級数展開されない。ステップ514でも、微分方程式の解が、ボルテラ級数展開されない。この場合は、解の係数ベクトルは、ボルテラ級数展開されない形で作成され、比較される。   Furthermore, although the interval analysis is performed by applying Volterra series expansion to the coefficients of the differential equation, the solution of the differential equations can be processed without applying Volterra series expansion. This is not the case, but is adopted when the dynamics of the system is fairly unknown, while the behavior of the differential equation solution is quite predictable. In this case, the coefficient of the differential equation is expanded into a Volterra series at Step 502, but the solution of the differential equation is not expanded at Step 504. The interval analysis of the coefficients is applied to the coefficients subjected to the Volterra series expansion, and the solution of the differential equation as a result of the interval analysis in Step 506 is not expanded to the Volterra series. Even in step 514, the solution of the differential equation is not expanded to the Volterra series. In this case, the coefficient vector of the solution is created and compared in a form that is not expanded by the Volterra series.

次に、図7のフローチャートを参照して、簡略化された数式222から変換されたブロック線図の妥当性判定処理について、説明する。この処理は、種数判定モジュール228が行う。   Next, the validity determination processing of the block diagram converted from the simplified mathematical expression 222 will be described with reference to the flowchart of FIG. This process is performed by the genus determination module 228.

図7のステップ702で、種数判定モジュール228は、ブロック線図の各ブロックに番号を振り、ブロックの数がNであれば、N×Nの零行列を作成する。   In step 702 of FIG. 7, the genus determination module 228 assigns a number to each block in the block diagram, and if the number of blocks is N, creates an N × N zero matrix.

ステップ704では、種数判定モジュール228は、I番目のブロックからJ番目のブロックへ有向結線されていれば、行列のIJ要素を1とする処理を、全てのブロック間結線について行う。   In step 704, if the genus determination module 228 is directed from the I-th block to the J-th block, the genus determination module 228 performs the process of setting the IJ element of the matrix to 1 for all inter-block connections.

ステップ706では、種数判定モジュール228は、ブロック線図から生成されたグラフ表現に対応する行列の情報を用いて、グラフの種数を求める。このアルゴリズムに特に限定はないが、例えば、M.L. Furst, J.L. Gross, and L.A. McGeoch, “Finding a Maximum-Genus Graph Imbedding”, Journal of ACM, Vol.35, No.3, July 1988, pp.523-534に記載されているアルゴリズムを使用する。   In step 706, the genus determination module 228 determines the genus of the graph using the matrix information corresponding to the graph representation generated from the block diagram. This algorithm is not particularly limited. For example, ML Furst, JL Gross, and LA McGeoch, “Finding a Maximum-Genus Graph Imbedding”, Journal of ACM, Vol. 35, No. 3, July 1988, pp. 523- The algorithm described in 534 is used.

その結果、ステップ708で、種数が2より小さいと判定されると、ステップ710に行って、ブロック線図で妥当と判定する。これは、結果のメッセージをシステムが、ディスプレイ114に表示してもよい。   As a result, when it is determined in step 708 that the genus is smaller than 2, the process proceeds to step 710 and is determined to be valid in the block diagram. This may cause the system to display the resulting message on the display 114.

ステップ712で、種数が2以上で7より小さいと判定されると、ステップ714で、ループによる不安定の可能性のため数式記述を推奨する。これも、結果のメッセージをシステムが、ディスプレイ114に表示してもよい。   If it is determined in step 712 that the genus is 2 or more and less than 7, a mathematical expression is recommended in step 714 because of the possibility of instability due to the loop. Again, the resulting message may be displayed on the display 114 by the system.

ステップ712で、種数が7以上と判定されると、ステップ716で、ベクトル演算が結線されているが、複雑すぎる結線可能性のため、数式記述またはブロック分割を推奨する。これも、結果のメッセージをシステムが、ディスプレイ114に表示してもよい。   If it is determined in step 712 that the genus is 7 or more, the vector operation is connected in step 716, but formula description or block division is recommended because of the possibility of too complicated connection. Again, the resulting message may be displayed on the display 114 by the system.

次に、図8を参照して、プラントの制御の例を説明する。この例は、

Figure 2011128675

を最小化するH2最適コントローラを設計する問題である。 Next, an example of plant control will be described with reference to FIG. This example
Figure 2011128675

It is a problem to design an H2 optimal controller that minimizes.

この例では、次の前提で問題が解かれる。
- 次のコントローラ設計ではプラントの全係数が必要とは限らない。
- コントローラで用いる状態変数が数パーセントの誤差を許容可能な状況がある場合、行列AやBの要素で零にできるものがあれば、コントローラ構造も簡略化できる。
- 実際、QとRをスカラー行列として、係数を省略しない場合の状態変数と比べて5%の偏差を許容する場合、図8で印を付けた係数は零としても良いことが本発明から推奨表示される。
- 行列Cについては状態変数やコントローラ設計に影響しないので、ここでの評価対象としなかった。
- ここでH2コントローラとしてはカルマンフィルタを用いて比較を行った。
- また、評価関数のQ,Rに含まれる設計パラメータも同様の簡略化可能性を見出すことができるので、そうすれば、さらにコントローラを簡略化できる可能性がある。
In this example, the problem is solved based on the following assumptions.
-Not all plant factors are required for the next controller design.
-If there is a situation where the state variables used in the controller can tolerate a few percent error, the controller structure can be simplified if there are elements in the matrix A and B that can be made zero.
-In fact, it is recommended from the present invention that the coefficients marked in Fig. 8 may be zero when Q and R are scalar matrices and a 5% deviation is allowed compared to the state variable when the coefficients are not omitted. Is displayed.
-Matrix C was not considered here because it does not affect state variables or controller design.
-The H2 controller was compared using a Kalman filter.
-In addition, design parameters included in the Q and R of the evaluation function can also find similar simplification possibilities, which may further simplify the controller.

実際、プラントの伝達関数行列関連部を(zI - A)-1Bにより計算すると、与えられた制御対象の4行2列の各要素は(3次/4次)の関数となるが、簡略化の結果、3行2列の要素が(2次/4次)の関数になり、次数削減による実装時の効率化を期待できる。 In fact, if the transfer function matrix-related part of the plant is calculated by (zI-A) -1 B, each element of 4 rows and 2 columns of the given controlled object will be a (3rd / 4th) function, but simplified As a result, the element of 3 rows and 2 columns becomes a function of (second order / fourth order), and the efficiency at the time of mounting can be expected by reducing the order.

すなわち、本発明に従い、数式を簡易化すると、最適化による次数や係数削減によって、センサーや配線数を減らせることになり、実装コストを削減できる。そして、結果として、最適化によって高速なコントローラの実装が得られる可能性が高い、という効果が得られる。   That is, if the mathematical formula is simplified according to the present invention, the number of sensors and wirings can be reduced by reducing the order and coefficient by optimization, and the mounting cost can be reduced. As a result, it is possible to obtain an effect that a high-speed controller implementation is highly likely to be obtained by optimization.

以上、この発明を特定の実施例に基づき説明してきたが、この発明は、この特定の実施例に限定されず、当業者が自明に思いつく様々な変形、置換などの構成、技法に適用可能であることを理解されたい。例えば、特定のプロセッサのアーキテクチャ、オペレーティング・システムなどに限定されない。   The present invention has been described based on the specific embodiments. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and can be applied to various configurations and techniques such as various modifications and substitutions obvious to those skilled in the art. I want you to understand. For example, the present invention is not limited to a specific processor architecture or operating system.

102 システム・パス
104 CPU
110 キーボード
112 マウス
114 ディスプレイ
106 主記憶
108 ハードディスク・ドライブ
202 ブロック
202 モデリング・システム
206 ソース・モデル・ファイル
208 ソースコード
210 数式抽出モジュール
212 数式変換モジュール
214 区間解析モジュール
216 CAS
220 安定性判別モジュール
224 数式注入モジュール
226 変換モジュール
228 種数判定モジュール
102 System path 104 CPU
110 Keyboard 112 Mouse 114 Display 106 Main Memory 108 Hard Disk Drive 202 Block 202 Modeling System 206 Source Model File 208 Source Code 210 Formula Extraction Module 212 Formula Conversion Module 214 Section Analysis Module 216 CAS
220 Stability determination module 224 Formula injection module 226 Conversion module 228 Genus determination module

Claims (30)

コンピュータの処理によって、設計を行うモデリング・システムの制御方法であって、
設計されるモデルから数式を得るステップと、
前記数式から、第1の解を求めるステップと、
前記級数において、1つの係数を区間にして、第2の解を求めるステップと、
前記第1の解の係数を第1のベクトルとし、第2の解の係数を第2のベクトルとし、両ベクトルの間の第1の距離を求めるステップと、
前記第1の距離が所定の値以下であることに応答して、前記1つの係数をゼロとして第3の解を求めるステップと、
前記第3の解の係数を第3のベクトルとし、前記第1のベクトルと前記第3のベクトルの間の第2の距離を求めるステップと、
前記第2の距離が所定の値以下であることに応答して、前記数式における前記1つの係数の項を省略可能と判別するステップを有する、
モデリング・システムの制御方法。
A modeling system control method for designing by computer processing,
Obtaining a mathematical formula from the model to be designed;
Obtaining a first solution from the equation;
Obtaining a second solution with one coefficient as an interval in the series;
The first solution coefficient is a first vector, the second solution coefficient is a second vector, and a first distance between the vectors is determined;
In response to the first distance being less than or equal to a predetermined value, obtaining a third solution with the one coefficient being zero; and
Determining a second distance between the first vector and the third vector, wherein the coefficient of the third solution is a third vector;
Determining that the term of the one coefficient in the equation is omissible in response to the second distance being equal to or less than a predetermined value;
Modeling system control method.
前記数式の解を求める前に、前記数式の係数が、ボルテラ級数展開される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein coefficients of the mathematical formula are expanded by a Volterra series before obtaining a solution of the mathematical formula. 前記数式の解が、ボルテラ級数展開された解として求められる、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein a solution of the mathematical expression is obtained as a Volterra series expansion solution. 前記距離が、マハラノビス距離である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the distance is a Mahalanobis distance. 前記モデリング・システムが、SysMLのブロックを生成するモデリング・システムである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the modeling system is a modeling system that generates a block of SysML. 前記ブロックから数式を抽出するステップと、該数式の、項を省略された数式を、前記ブックに注入するステップとを更に有する、請求項5に記載の方法。   6. The method of claim 5, further comprising: extracting a mathematical expression from the block; and injecting the mathematical expression of the mathematical expression with the term omitted. 前記モデリング・システムが、ブロック線図を生成するモデリング・システムである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the modeling system is a modeling system that generates a block diagram. 前記ブロック線図を数式に変換するステップと、該数式の、項を省略された数式をブロック線図に変換するステップを更に有する、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising: converting the block diagram into a mathematical formula; and transforming the mathematical formula of the mathematical formula with the term omitted. 前記数式から変換されたブロック線図の種数を求めるステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising determining a genus of the block diagram converted from the mathematical formula. コンピュータの処理によって、設計を行うモデリング・プログラムであって、
前記コンピュータをして、
設計されるモデルから数式を得るステップと、
前記数式から、第1の解を求めるステップと、
前記級数において、1つの係数を区間にして、第2の解を求めるステップと、
前記第1の解の係数を第1のベクトルとし、第2の解の係数を第2のベクトルとし、両ベクトルの間の第1の距離を求めるステップと、
前記第1の距離が所定の値以下であることに応答して、前記1つの係数をゼロとして第3の解を求めるステップと、、
前記第3の解の係数を第3のベクトルとし、前記第1のベクトルと前記第3のベクトルの間の第2の距離を求めるステップと、
前記第2の距離が所定の値以下であることに応答して、前記数式における前記1つの係数の項を省略可能と判別するステップを有する、
モデリング・プログラム。
A modeling program for designing by computer processing,
The computer,
Obtaining a mathematical formula from the model to be designed;
Obtaining a first solution from the equation;
Obtaining a second solution with one coefficient as an interval in the series;
The first solution coefficient is a first vector, the second solution coefficient is a second vector, and a first distance between the vectors is determined;
In response to the first distance being less than or equal to a predetermined value, obtaining a third solution with the one coefficient being zero; and
Determining a second distance between the first vector and the third vector, wherein the coefficient of the third solution is a third vector;
Determining that the term of the one coefficient in the equation is omissible in response to the second distance being equal to or less than a predetermined value;
Modeling program.
前記数式の解を求める前に、前記数式の係数が、級数展開される、請求項10に記載のプログラム。   The program according to claim 10, wherein the coefficient of the mathematical formula is expanded in series before obtaining the solution of the mathematical formula. 前記数式の解が、級数展開された解として求められる、請求項10に記載のプログラム。   The program according to claim 10, wherein the solution of the mathematical expression is obtained as a series-expanded solution. 前記級数展開が、ボルテラ級数展開である、請求項12または請求項11に記載のプログラム。   The program according to claim 12 or 11, wherein the series expansion is a Volterra series expansion. 前記距離が、マハラノビス距離である、請求項10に記載のプログラム。   The program according to claim 10, wherein the distance is a Mahalanobis distance. 前記モデリング・プログラムが、SysMLのブロックを生成するステップを含む、請求項10に記載のプログラム。   The program according to claim 10, wherein the modeling program includes generating a block of SysML. 前記ブロックから数式を抽出するステップと、該数式の、項を省略された数式を、前記ブックに注入するステップとを更に有する、請求項15に記載のプログラム。   The program according to claim 15, further comprising: extracting a mathematical expression from the block; and injecting into the book a mathematical expression in which the term is omitted. 前記モデリング・プログラムが、ブロック線図を生成するステップを含む、請求項10に記載のプログラム。   The program according to claim 10, wherein the modeling program includes generating a block diagram. 前記ブロック線図を数式に変換するステップと、該数式の、項を省略された数式をブロック線図に変換するステップを更に有する、請求項17に記載のプログラム。   The program according to claim 17, further comprising: converting the block diagram into a mathematical formula; and converting the mathematical formula of the mathematical formula from which a term is omitted into a block diagram. 前記数式から変換されたブロック線図の種数を求めるステップを更に有する、請求項18に記載のプログラム。   The program according to claim 18, further comprising a step of obtaining a genus of the block diagram converted from the mathematical expression. コンピュータの処理によって、設計を行うモデリング・システムであって、
設計するモデルを作成し、または編集する手段と、
前記モデルから数式を得る手段と、
前記数式の解を求める機能をもつ計算手段と、
前記計算手段に、前記数式の項の区間を適用して計算させる手段と、
前記計算手段による異なる2つの解の間の距離を求める手段と、
前記数式のを省略することにより、数式を簡略化する手段を有し、
前記解の間の距離が所定の距離より小さいことに応答して、前記数式を簡略化する手段により数式を簡略化する、
モデリング・システム。
A modeling system for designing by computer processing,
A means to create or edit a model to be designed;
Means for obtaining a mathematical formula from the model;
A calculation means having a function of obtaining a solution of the mathematical formula;
Means for causing the calculation means to calculate by applying the interval of the term of the formula;
Means for determining a distance between two different solutions by the calculating means;
A means for simplifying the mathematical expression by omitting the mathematical expression;
In response to the distance between the solutions being less than a predetermined distance, simplifying the formula by means of simplifying the formula;
Modeling system.
前記計算手段が、前記数式の係数及び計算結果を級数展開する機能を有する、請求項20に記載のシステム。   21. The system according to claim 20, wherein the calculation unit has a function of series expansion of the coefficient of the mathematical formula and the calculation result. 前記計算させる手段が、前記数式の項の区間を適用する際に、級数展開する項を使用する、請求項21に記載のシステム。   The system according to claim 21, wherein the calculating means uses a series expansion term when applying the term interval of the mathematical expression. 前記2つの解の間の距離を求める手段は、級数展開された項の間の距離を求める、請求項21に記載のシステム。   The system of claim 21, wherein the means for determining the distance between the two solutions determines the distance between the series expanded terms. 前記級数展開が、ボルテラ級数展開である、請求項23または請求項22に記載のシステム。   The system according to claim 23 or claim 22, wherein the series expansion is a Volterra series expansion. 前記距離が、マハラノビス距離である、請求項20に記載のシステム。   21. The system of claim 20, wherein the distance is a Mahalanobis distance. 前記モデリング・システムが、SysMLのブロックを生成する手段を含む、請求項20に記載のシステム。   21. The system of claim 20, wherein the modeling system includes means for generating a SysML block. 前記ブロックから数式を抽出する手段と、該数式の、項を省略された数式を、前記ブックに注入する手段とを更に有する、請求項26に記載のシステム。   27. The system of claim 26, further comprising: means for extracting a mathematical expression from the block; and means for injecting the mathematical expression of the mathematical expression with the term omitted. 前記モデリング・システムが、ブロック線図を生成する手段を含む、請求項20に記載のシステム。   21. The system of claim 20, wherein the modeling system includes means for generating a block diagram. 前記ブロック線図を数式に変換する手段と、該数式の、項を省略された数式をブロック線図に変換する手段を更に有する、請求項28に記載のシステム。   29. The system of claim 28, further comprising means for converting the block diagram into a mathematical expression and means for converting the mathematical expression of the mathematical expression with the term omitted. 前記数式から変換されたブロック線図の種数を求める手段を更に有する、請求項29に記載のシステム。   30. The system of claim 29, further comprising means for determining a genus of the block diagram converted from the mathematical expression.
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